Сверхпроводимость в квазидвумерных системах Оболенский, Михаил Александрович

Введение к работе

Актуальность теми. Анизотропные и кваэидвумерные сверхпроводники образуют большой класс различных соединений и структур, обладающих уникальными свойствам!. К ним относятся в большинстве случаев синтезированные в лабораторных.условиях системы типа: SIS -сверхпроводник -изолятор - сверхпроводник, SMS - сверхпроводник - металл - сверхпроводник, SSS - сверхпроводник - полупроводник -сверхпроводник, получаемые послойным напылением соответствующих элементов, некоторые дихалькогенида переходных металлов и их интеркалироваїшие аналоги, а также открытые в 1986 году Беднорцем и Мюллером высокотемпературные сверхігроводникн на основе оксидов меди, имеющие рекордные температуры сверхпроводящего перехода. Температурный диапазон перехода ^s'e сверхпроводящее состояние различных представителей квазидвумерных сверхпроводников простирается от'нескольких десятых до согни градусов Кельвина. Не менее разнообразны их физические свойства и в нормальном состоянии. Они нашли широкое применение в криоэлектроника, криогеїшой технике, приборостроении! С высокотемпературной сверхпроводимостью тесно связана проблема энергетики, получение сверхсильных магнитных полей и другие важные отрасли техники. Поэтому изучение природы сверхпроводимости ,в квазидвумерных системах,, установление причинно - следственных соотношений между физическими свойствами нормального и сверхпроводящего состояний и на этой основе умение управлять ими, является наиболее актуальной проблемой физики твердого тела и, в частности, важного ее направления - физики квазидвумерных систем.

Важным аспектом в установлении природы высокотемпературной сверхпроводимости является экспериментальное выявление сходных и отличительных черт между различными представителями класса квазидвумерных сверхпроводников, что может служить основой для усовершенствования и создания теоретических моделей. Именно такой подход к этой проблеме реализован в настоящей работе.

Целью работы являлось:

- комплексное экспериментальное исследование кинетических и термодинамических характеристик слоистого кристалла 2H-NbSe в нормальном и сверхпроводящем состоянии, и влияния

интеркалироввняых донорами /водородом и дейтерием/ и акцептором ./молекулами ICHQ/ на физические свойства, определяющие сверхпроводящее состояние;

установление механизмов и закономерностей, приводящих к изменению критических параметров слоистых кристаллов при воздействии одноосного . и гидростатического давлений -, как в исходном кристалле, так и в интеркёлированных аналогах; ,,

выявление причин; приводящих к эволюции сверхпроводящего состояния в 2fl-NbSe при замене ниобия на элемент другой валентности - рений при условии ' сохранения структуры исходной решетки, т.е. при . постепенном " переходе от слоистого сверхпроводника к слоистому полупроводнику;

выявление влияния межслойнош взаимодействия нв критические параметры слоистых сверхпроводников; .

определение общих и отличительных особенностей присущих слоистым низкотемпературным и высокотемпературным сверхпроводникам на примере 2H-NbSfeg и YBa Си_з0₇_5Ї

усовершенствование расплав-растворного метода с целью получения совершенных монокрйсталлой 1:2:3; как объекта для физических исследований;

установление закономерностей, приводящих к изменению кинетических и термодинамических характеристик монокристаллов 1:2:3 на основе иттрия, как в нормальном, так я в сверхпроводящем состоянии, связанных с вариацией концентрации лабильного кислорода и степенью совершенства кристаллической решетки;

- выдача рекомендаций для практического применения результа
тов ,настоящих Исследований..

В задачу исследования входило!

изучение температурных зависимостей электросопротивления, машетосопротивления и его анйзотрошш, критических магнитных полей и их температурных и угловнх зависимостей, вольт - амперных и вольт - полевых характеристик; микроконтактных спектров в сверхпроводящем состояний для 2H-NbSe , электронной и решеточной теплоемкости для системы Nbj^Ee^SSg, а также температурной зависимости магнитной восприимчивости;

исследование ЯМР на протонах в кристаллах 2H-MbSe_a(H_K,D_x), сдвига Найта и магнитной восприимчивости, хроматограмм выделения

водорода и дейтерия из матрицы 2Н-Ш3е для определения состояния водорода и дейтерия, их влияния на плотность состояний на уровне Ферми, а также для определения температурных интервалов десорбцій;

проведение рентгеноструктурного анализа всех полученных соединений, а для системы Re Nb Sg - рентгеноспектрального анализа по которому установлено перераспределение электронной и спиновой плотности при замене ниобия на рений, а также уточнение характеристик зонной структура 2H-NbSe

изучение влияния одноосного и гидростатического давлешм в системах NbSe , NbSe (D ,Н ), Nb Sn Se на. критическую температуру сверхпроводящего перехода и критические магнитные поля. В системе Fe_i/3KbS₃ проведение исследования влияния гидростатического давления на температуру фазового структурного перехода, связанного с положением ионов келеза в матрице NbS ;

- проведение синтеза и исследование' кинетических и,
термодинамических характеристик монокристаллов YBa Си 0 g для
установления связи между сверхпроводящими параметрвші и
температурной зависимостью электросопротивления вдоль и
перпендикулярно слоям.

В прикладном аспекте стаєилась задача создания датчиков давления, теїяіературц, элементов СКВВДов, используя для этого полученные в процессе исследования новые вещества, а также выявленные новые свойства и закономерности.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

отработзші оптималыше режимы получения монокристаллов 2H-NbSG. 2Я-№й, Ге, ,JIbSe₄, lib Re Sg„ методом газотранспортных реакций;

получены, іштеркалированнне соединения HbSe (Н ), NbSe (D ), NbSe_a(TCNa);

- разработана методика получения совершеншх. кристаллов
высокотемпературных сверхпроводников системы RBa Си 0 д, где (R=
Y, Но, Dy) на основе метода раствора - расплава путем оптимизации
температурных режимов роста;

" - установлен факт гибридизации валентных р~ и й- электронов атомов іпюбия с а- и р- валентшаш состояниями халькогена ' на основашш' исследований. рентгеновлектронных спектров.

рентгеноспектральних экспериментов и температурной зависимости' .магнитной восприимчивости, что свидетельствует об отсутствии гибридизованной щели между указанными состояниями. В тех же экспериментах установлено перераспределение электронной ' и нескомпенсированной спиновой плотности на атомвх ниобия и рения в соединении Kb, Re Se ;

1-х X З

проведено сопоставление, положения фононних пиков, обнаруженных на микровонтакгных спектрах с теоретическими моделями для 2H-NbSe . Исходя из экспериментальных данных определены критические параметры сверхпроводящего состояния и характеризуйте его величины для систем HbSe - Водород, HbSe -дейтерий. Выявлены закономерности влияния этих интеркалянтов на кинетические и термодинамические свойства в нормальном состоянии. Обнаружено перераспределение водорода в матрице 2H-ffl)Se при воздействии влектрических и- магнитных полей вблизи гелиевых температур;

обнаружен и исследован эффект влияния фазового состояния. водорода в патрице 2Н~Ш5е на угловые зависимости второго критического поля. Показано, что при определенных концентрациях при низких температурах возможно образование концентрационных сверхрешеток в матрице 2H-NbSe , приводящих, к модуляции угловых зависимостей второго критического поля;

установлена связь между кинетическими и термодинамическими характеристиками системы Re Nb Se в нормальном и

' сверхпроводящем состоянии. Определены концентрационные границы существования сверхпроводимости в вгом соединении. Обнаружена качественная корреляция между Т и плотностью состояний на уровне Ферми; -

- обнаружено значительное повышение критической температуры
(до 9,5 К) в 2H-NbSe_a под воздействием одноосного давления до 4
кбар вдоль оси перпендикулярной к плоскости слоев. Критическая
температура зависит от давления немонотонно. Максимум наблюдается
в области 1,4 кбар. Частичная замена ниобия на олово приводит к
смещению максимума Г в область более высоких давлкений и к они-

жению величины эффекта. В этом случае изменение температурной зависимости второго критического поля с давлением описывается моделью, учитывающей изменение эффекта близости с давлением;

- в системах 2H-Nt>Se (Н ,D ) под воздействием гидростатичес
кого давления до 8 кбар обнаружено значительное повышение
скорости роста критической температуры по сравнению с таковой а
2H-NbSe . Установлен факт неэквивалентности влияния одноосного и
гидростатического давлении на критическую температуру;

. - обнаружен фазовый переход металл - полупроводник в соединении 2H-HbSe (ЇСВД), Температура возникновения БЗП по сраЕнещда с исходным 2H-NbSe повышается наряду со снижением Т до б К. Определены критические параметры сверхпроводящего состояния, и на основе соотношений, связывающих сверхпроводящие параметры со свойствами в нормальном состоянии, определено изменение средней фермиевской скорости носителей;

-^обнаружен фазовый переход в соединении Г⁹, _/э^^а ^П0 исследованию температурной зависимости алектросопротивлешія при гидростатическом сжатии. Переход характеризуется аномально высоким значением производной й$ /dP и' строго линейной зависимостью Т„(Р)- Он сопровождается скачком сопротивления до 30 ) в. точке перехода. При увеличении давления наблюдается понижение гистерезиса в Т при нагреве и охлаждении образца;

-- на основании исследований температурной зависимости электросопротивления в монокристаллах YBa Си"0 дбдоль плоскости слоев СиО и в перпендикулярної.! направлении установлен факт изменения типа проводимости вдоль оси с, а также отношения PjP_ab Вичислена соответствующие вверти активации движения носителей вдоль оси с и их температурные зависимости;

показано, что флуктуационнвя парапроводимость и диамагнитный вклад флуктуации в магнитную восприимчивость лучше всего аппроксимируется уравнением Іоуренса - Доньяха /1/. Фазовый переход в области температур 200-240 К,, обнаруживаемый по измерению температурной зависимости энергии активации, а также по исследованиям коэффициента термического расширения, в большей мере связан с упорядочением В кислородно - вакансионной подсистеме соединения YBa₂Cu_a0₇^g;

предложены новые типы терморезисторов на основе соединения Re Nb Se , датчики давления со строго линейной шкалой измеряемого параметра от давления, елементи слабой связи на основе монокристаллов 2H-№Se и предложен метод подавления

критического тока в них за счет избирательного введения в слабую связь штеркалянта.

Практическая значимость работы. Исследования сверхпроводимости в слоистых системах, проведенные в настоящей работе, позволяют более глубоко понять причины, обусловливающие изменение сверхпроводящих характеристик под воздействием различных факторов: давления, изменения, электронного и фононного спектров, усиления либо ослабления межслойного взаимодействия. Исследование сорбции и десорбции водорода и дейтерия в слоистых структурах выявило наличие двух состояний водорода,_что может послужить основой для создания источников с программируемым их выделением.

Обнаруженный в настоящей работе эффект перераспределения водорода в матрице слоистого сверхпроводника под действием электрического и магнитного поля должен учитываться при конструировании мощных магнитных систем нв основе сверхпроводников, содержащих лабильную примесь, в частности, высокотемпературных.

Реализованные в настоящей работе датчики магнитного потока для создания на их основе СКВДЦов обладают рядом специфических свойств, в. частности, сочетание химической стойкости с механической прочностью и с возможностью регулировки критического тока слабой связи' за счет процесса ингеркалирования.

Продемонстрирована возможность создания микроминиатюрных термометров сопротивления на основе слоистого соединения Re Nt> Se , где путем вариации добавки ниобия можно изменять, как рабочий диапазон, так и чувствительность в различных температурных интервалах.

Созданные в настоящей работе датчики давления на основе соединения fe Nt)S , обладающие высокой чувствительностью по давлению и линейной шкалой смещения температуры фазового структурного перехода Т_Н(Р) - лишь один пример далеко не исчерпывающий всех возможностей в этом направлении.-

На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:

1. Результаты исследований ЯМР-спэктров, температурной зависимости теплоемкости, показываидие, что водород и дейтерий в матрице слоистого сверхпроводника 2H-NuSe является донором.. Увеличение их концентрации приводит к смещению уровня Ферми Е

сторону большей энергии и понижению плотности состояний.

2. Результати исслвдования микроконтактных спектров в слоистом . сверхпроводнике, показывающие расположение фоношшх особенностей по энергии. Результаты сравнения с теоретическими моделями. Влияние перехода типа волш зарядовой плотности на МК-спектрн.

. 3. Образование концентрационных сверхрешеток в 2H-NbSe (Н ) и 2Н-Ш5е_з(1) ) при ї * 2 ат.), приводящих к появлению аномалий но температурних и угловых зависимостях вторых критических полей.

4. Явление увеличения критической температури и критического
магнитного ііоля при циклическом разрушении сверхпроводимости ма
гнитным полем в слоистом сверхпроводнике 2H-NbSe (tf ).

5. Экспериментальные результаты . по исследованию системы
HbSe (TCNQ), показывающие наличие фазового переходе металл - по-
лулроводник при Г = 240 - 250 К, связанного с процессами
упорядочения нвтеркалянта в матрице. Повышение- температуры ВЗП-
перехода в атом слоистой сверхпроводнике. Угловые зависимости
критического поля, указывающие на квазидвумерный характер
сверхпроводимости.

1. Результаты рентгеноструктурных исследований слоистого соединения Re Nb Se по определению параметров элементарной ячейки и их изменения в зависимости от концентрации. Результаты рентгеноспектральних"исследований по определению степени переноса заряда и нескоштенсировашюй спиновой плотности на атомах. Изменение критических параметров- сверхпроводящего состояния И их связь с плотностьй состояний на уровне Ферми.

2. Фазовый переход в системе Уе NbS_a> связанный с образованием сверхструктуры. Влияние гидростатического давления на температуру перехода.

3. Зфїект аномального повышения критической температуры слоистых сверхпроводниках ?H-NbSe, и ,2Н-№) Sn Se под действием одноосного давлении и его объяснение на основе рассмотрения влияния . межслойното взаимодействия на структуру плотности состояний на уровне Ферми.

4. Методика получения совершенных монокрюталлов YBa Си 0 д. Экспериментальные результаты по изучению характере проводимости вдоль оси'с в зависимости от стехиометрии, флуктувциошшх вкладов

в проводимость и магнитную восприимчивость. Фазовый переход при .240 - 250 К.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 28 работах. Они доложены и обсуждены на: Всесоюзном совещании по физике низких температур (Москва, 1979); 21 Всесоюзной совещании по физике низких температур (Харьков, 1980); Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (Новосибирск, 1984); 23 Всесоюзном совещании по физике низких температур (Таллин, 198 4); Школе - семинаре "Физика, и химия интеркалированннх и других квазидвумерных, систем" (Харьков, 1985); 3 Всесоюзном семинаре по низкотемпературной физике металлов (Донецк, 1988); Научной сессии отделения общей физики и астрономии АН.СССР (1988); 7 Всесоюзной конференций по физике низких температур (Ужгород, 1988);9 Всемирной конференции Hydrogen Energy Progress (Парий, 1992); 26 Всесоюзном совещании по физике низких температур (Донецк, 1990).

Объем и структура работа. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, примечания и списка цитированной литературы. Объем работы составляет -317 страниц, включая 127 рисунков, 22 таблицы и список литературы, содержащий 167 наименований.

Похожие диссертации на Сверхпроводимость в квазидвумерных системах

Особенности сверхпроводимости в окисной системе BaPb 1-x Bi x O 3 Зайцев-Зотов Сергей Владимирович